Новый уровень квантовых вычислений достигнут с помощью демона Максвелла

Команда квантовых инженеров из университета в Сиднее разработала метод перезагрузки квантового компьютера, то есть подготовки квантового бита в состоянии «0», с очень высокой степенью достоверности, необходимой для надежных квантовых вычислений.

Предложенный метод удивительно прост: он связан со старой концепцией «демона Максвелла», всеведущего существа, которое может разделить газ на горячий и холодный, наблюдая за скоростью отдельных молекул.

«Здесь мы использовали гораздо более современного «демона» — быстрый цифровой вольтметр — для наблюдения за температурой электрона, извлеченного наугад из теплого пула электронов. При этом мы сделали его намного холоднее, чем пул, из которого он вышел, и это соответствует высокой степени уверенности в том, что он находится в вычислительном состоянии «0», — говорит профессор Андреа Морелло из Университета Нового Южного Уэльса, возглавлявший исследование.

Квантовые компьютеры полезны только в том случае, если они могут достигать конечного результата с очень низкой вероятностью ошибок. И можно иметь почти идеальные квантовые операции, но если вычисления начались с неправильного кода, конечный результат тоже будет неправильным.

Новые цифровые «демоны Максвелла» дают 20-кратное улучшение того, насколько точно можно установить начало вычислений.

Наблюдение за электроном

Команда профессора Морелло впервые применила спины электронов в кремнии для кодирования и обработки квантовой информации и продемонстрировала рекордно высокую точность — то есть очень низкую вероятность ошибок — при выполнении квантовых операций.

Последним оставшимся препятствием для эффективных квантовых вычислений с электронами была точность подготовки электрона в известном состоянии в качестве отправной точки расчета.

«Обычный способ подготовить квантовое состояние электрона — это перейти к чрезвычайно низким температурам, близким к абсолютному нулю, и надеяться, что все электроны релаксируют в низкоэнергетическое состояние «0», — объясняет Марк Джонсон, участник исследования.

«К сожалению, даже при использовании самых мощных холодильников у нас все еще была 20-процентная вероятность по ошибке подготовить электрон в состоянии «1». Это было неприемлемо, мы должны были сделать лучше».

Ученые решили использовать очень быстрый цифровой измерительный прибор, чтобы «наблюдать» за состоянием электрона, и использовать внутри прибора процессор для принятия решений в режиме реального времени, чтобы решить, следует ли оставить этот электрон и использовать его для дальнейших вычислений.

Результатом этого процесса было снижение вероятности ошибки с 20 процентов до 1 процента.

Новый взгляд на старую идею

«Когда мы начали записывать наши результаты и думать, как лучше их объяснить, мы поняли, что то, что мы сделали, было современной интерпретацией старой идеи о «демоне Максвелла», — говорит профессор Морелло.

Концепция «демона Максвелла» восходит к 1867 году, когда физик Джеймс Максвелл вообразил существо, способное знать скорость каждой отдельной молекулы в газе.

Он взял бы коробку, наполненную газом, с перегородкой посередине и дверью, которую можно быстро открыть и закрыть. Зная скорость каждой молекулы, демон может открыть дверь, чтобы медленные (холодные) молекулы скопились с одной стороны, а быстрые (горячие) — с другой.

Демон был мысленным экспериментом, чтобы обсудить возможность нарушения второго закона термодинамики, но, конечно же, такого демона никогда не существовало.

«Используя быструю цифровую электронику, мы в каком-то смысле создали его. Мы поручили ему следить только за одним электроном и следить за тем, чтобы он был настолько холодным, насколько это возможно. Здесь «холодный» означает, что он находится в состояние «0» квантового компьютера, который мы хотим построить и использовать» — говорят ученые.

Последствия этого результата очень важны для жизнеспособности квантовых компьютеров. Такая машина может быть построена со способностью допускать некоторые ошибки, но только если они достаточно редки.

Типичный порог устойчивости к ошибкам составляет около 1 процента. Это относится ко всем ошибкам, включая подготовку, работу и считывание конечного результата.

Электронная версия «демона Максвелла» позволила сократить количество ошибок при подготовке в двадцать раз, с 20 процентов до 1 процента.

«Просто используя современный электронный инструмент без дополнительной сложности на уровне квантового оборудования, мы смогли подготовить наши электронные квантовые биты с достаточной точностью, чтобы обеспечить надежные последующие вычисления».

«Это важный результат для будущего квантовых вычислений. И весьма необычно, что он также представляет собой воплощение идеи 150-летней давности!»

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review X.